High Speed Machining (HSM) er en viktig teknologi som er mye brukt i moderne freseteknologi. Ved å bruke HSM-freseteknologi er det mulig ikke bare å frese ulike myke og harde materialer, men også å oppnå utmerket arbeidsemnepresisjon. Denne artikkelen beskriver HSM-kravene til verktøy og holdere.
1. HSM-krav til skjæreverktøy
1. Geometri
Verktøyvibrasjoner påvirker direkte overflatekvaliteten som oppnås ved maskinering. Derfor er det ekstremt viktig å opprettholde en jevn skjærekraft på verktøyet under HSM etterbehandling for å unngå verktøyvibrasjoner.
Påvirkningen av de tilstøtende geometriske egenskapene til verktøyet på skjærekraften:
• God konsentrisitet letter jevn lastfordeling på skjærekanten
• Større skjærekantoverlapping for jevn skjærekraftkarakteristikk (større spiralvinkel og antall riller)
• Kort skjærelengde for bedre stivhet (diameteren på akselen reduseres litt sammenlignet med bratte maskinvegger)
• Beste kjernetverrsnittstilstand med minimal spenningskonsentrasjon ved hakket
Høyfaste materialer kan bearbeides ved hjelp av HSM, som betyr at motstanden mot deformasjon øker med hardheten til materialet som skal bearbeides. Den økte belastningen på skjærekanten krever en stabil utforming av skjærgeometrien. Imidlertid vil det genereres mer friksjonsvarme i det frie området av arbeidsstykkets overflate ved høy skjærehastighet, noe som betyr at verktøyets frievinkel må reduseres. Økning av stabiliteten til skjærekanten kan derfor bare oppnås ved å redusere skråvinkelen. I tilfeller der materialet er svært hardt og verktøymaterialet er sprøtt, kan det til og med resultere i en negativ skråvinkel.
Nøyaktig passende radier er slipt på tuppen av bladet for å unngå rødglødende forhold eller delvis kantbrudd ved plutselig oppvarming.
Hvis det kreves at formnøyaktigheten til arbeidsstykket skal være svært høy, har radiusen til kuledelen av etterbehandlingsverktøyet som brukes en direkte innvirkning på formnøyaktigheten til arbeidsstykket som skal bearbeides. Derfor, som en grunnbetingelse, er det svært viktig å bruke verktøy med svært trange radietoleranser (i mikronområdet) under etterbehandling av svært ømfintlige deler.
2. Materialer og belegg
Verktøymaterialet må være hardere enn materialet som skal bearbeides. Jo større hardhetsforskjellen er mellom arbeidsstykkematerialet og verktøymaterialet, jo mindre slitasje på verktøyet og jo lengre levetid. På grunn av de høye lokale temperaturene er det også nødvendig å sikre at verktøymaterialet er motstandsdyktig mot oksidasjon.
Store svingninger i termisk belastning og behovet for oksidasjonsmotstand til verktøymaterialet fører til et eventuelt behov for belegg på finkornede wolframkarbidverktøykropper.
Utprøvde malingssystemer som TiN, TiCN og TiAlCN når raskt sine grenser i HSM-behandling. Derfor er det utviklet flerkomponentbeleggsystemer, basert på nitrider med høyt aluminiuminnhold, i kombinasjon med andre grunnstoffer som yttrium, vanadium eller tantal. Høyere ytelse kan også oppnås ved bruk av nanolagstrukturer, CBN og PKD.
2. HSM sine krav til verktøyholdere
På grunn av de høye spindelhastighetene som kreves ved HSM-bearbeiding, er det best å bruke verktøyholdersystemene HSK-A og HSK-E. Siden verktøyholderflensen er montert på spindelhodet, har verktøyholderen en definert mekanisk støtte i Z-retningen, slik at den ved høyere hastigheter ikke blir dratt inn i spindelen på grunn av økte sentrifugalkrefter.
Grunnleggende feil kan allerede ha oppstått i prosessforberedelsesfasen, noe som gjør mindre vibrasjoner og sikker prosesskontroll umulig. For å oppnå stabil HSM-bearbeiding er det viktig å balansere og kontrollere justeringen av verktøyet og verktøyholderen etter behov. Rotasjonshastighetsgrensen knyttet til den ubalanserte massen må også vurderes.
Et dårlig balansert eller feiljustert roterende verktøysystem vil resultere i:
• svært dårlig overflatekvalitet
• svært lav verktøylevetid
• Dårlig prosessstabilitet og sikkerhet
• Mulig skade på fresespindelen
Ubalansen og avviket fra den ideelle konsentrisiteten forårsaket av brå endringer i prosessen kan sees veldig tydelig i det skjematiske diagrammet nedenfor:
Ingen avvik sammenlignet med perfekt konsentrisitet: mindre teoretisk ruhet
Avvik fra perfekt konsentrisitet: større teoretisk ruhet
Balansemassen har en viktig innflytelse på den dynamiske ytelsen til hele rotasjonssystemet.
Ubalanse tilsvarer å ha en eksentrisk gjenstand som roterer. Denne eksentriske kroppen kan indusere en sentrifugalkraft som øker kvadratisk med rotasjonshastigheten. Dette betyr at den samme ubalansen induserer 441 ganger så mye sentrifugalkraft på en spindel ved 42,000 rpm som på en spindel ved 2,000 rpm (212=441). Derfor har en ubalanse i verktøyholderarrangementet ved høyhastighetsbearbeiding spesielt uttalte uheldige konsekvenser.
Ved å bruke verktøyklemmeteknologi i HSM kan du bruke verktøyholdere med:
• Hylster og
• Redusere
Alternative systemer som Weldon-koblinger anbefales ikke da de har betydelige ulemper ved HSM-behandling.
På grunn av de gode dempingsegenskapene til de spennede verktøyholderne som gir gode resultater under grovbearbeidingsprosessen, kan sammen med de reduserende skjøtene oppnås en meget høy grad av stivhet og repeterbarhet. Dette er avgjørende for å få en perfekt arbeidsstykkeoverflate. Ved å bruke reduksjoner kan du oppnå svært presis konsentrisitet (mindre enn 0.003 mm avvik) og høyt overføringsmoment.
Designstruktur av ulike reduserende verktøyholdere: overføringsmomentet avhenger av designstrukturen til klemutstyret; forskjellige designstrukturer, de kan være svært forskjellige.
